DE3922782A1 - Molekularpumpe in kombinierter bauart - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Molekularpumpe in kombinierter Bauart mit einem Pumpengehäuse, einem axial innerhalb des Pumpengehäuses angeordneten Rotor und einem den Rotor mit hoher Drehzahl antreibenden Motor.

Bekannte Molekularpumpen kann man entsprechend ihrem Aufbau in drei Basistypen unterscheiden:

Der erste Typ ist eine ziehende Molekularpumpe, bei der in einer zylindrischen Oberfläche spiralförmige Kanäle eingeschnitten sind.

Der zweite Typ ist eine scheibenartige Molekularpumpe mit spiralförmigen Einschnitten auf der Scheibe.

Die genannten zwei Typen von Molekularpumpen weisen ein hohes Verdichtungsverhältnis und eine niedrigere Pumpgeschwindigkeit auf.

Der dritte Typ ist eine schaufelförmige Turbinen-Molekularpumpe mit gleichförmig verteilten Schaufeln um die Scheibe herum.

Turbinen-Molekularpumpen sind in der Lage, sowohl ein hohes Vakuum als auch ein ultrahohes Vakuum zu erzeugen. Das Wirkungs­ prinzip beim Pumpen mit einer Turbinen-Molekularpumpe unterliegt jedoch Einflüssen, die dessen Anwendbarkeit beschränken. Insbe­ besondere die im Handel verbreiteten Turbinen-Molekularpumpen sind zumeist auf ein hohes Durchsatzvolumen eingestellt. Der Wirkungsgrad von Turbinen-Molekularpumpen hängt in hohem Maße von dem zulässigen Vordruck ab. Da der Vordruck auf Werte von weniger als 10^-2-10^-3 Torr beschränkt ist, wird eine Hilfs­ vorrichtung in Form einer Vorpumpe verwendet, um ein aus­ reichendes Vorpumpen zu ermöglichen. Zur Unterstützung der Turbinen-Molekularpumpe wird gewöhnlich eine Öldiffusionspumpe mit einer Förderung von mehr als 100 L/S verwendet, wodurch in der Vorstufe ein Arbeitsdruck bis zu 10^-2-10^-3 Torr erzeugt wird. Eine Öldiffusionspumpe von 10^-1-10² Torr bringt jedoch zumeist den Nachteil einer ernsthaften Verschmutzung der Kammer infolge von Öldämpfen mit sich. Andererseits wird von einer für die Anwendung bei wissenschaftlichen Instrumenten geeigneten Pumpe für ein Vakuumsystem erwartet, daß diese ein höheres Vakuum innerhalb kürzerer Zeit bereitstellt und geeignet ist, über längere Zeiträume zu arbeiten. Deshalb sind trotz der Fähigkeit der Turbinen-Molekularpumpe, ein ultrahohes Vakuum zu ziehen, nur scheinbare Vorteile bei deren Anwendung in wissen­ schaftlichen Instrumenten vorhanden, da die erforderliche Vor­ pumpe Ölverschmutzungen mit sich bringt und es länger dauert, bis die Pumpe den erwünschten Grad an Hochvakuum bereitstellt. Die Fachwelt sucht daher andere Alternativen wie beispielsweise Ionenpumpen und ähnliche Vorrichtungen.

Mit dem Entstehen neuentwickelter Hochtechnologie werden auch neue und höhere Anforderungen an Vakuumpumpen gestellt. Es wird nicht nur eine höhere Pumpgeschwindigkeit und ein größeres Ver­ dichtungsverhältnis angestrebt, sondern auch eine Entspannungs­ fähigkeit von oberhalb 100 L/S bei einem Eingangsdruck von 5 x 10^-2 Torr.

Die bekannten, handelsüblichen Turbinen-Molekular­ pumpen sind infolge der Beschränkungen aufgrund ihres Arbeits­ prinzips und ihres Aufbaus kaum in der Lage, solche Anforderungen zu erfüllen, selbst dann, wenn sie durch best­ mögliche Kombination verbessert sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten Molekularpumpen zu vermeiden und eine Molekular­ pumpe in kombinierter Bauart zu schaffen, die einen Vakuumgrad von mehr als 10 Torr erzeugen kann, ein hohes Verdichtungsver­ hältnis für H₂-Gas aufweist und einen hohen Förderwirkungsgrad bei tiefem Vakuumniveau hat.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Molekularpumpe aus einer nahe dem Pumpeneintritt angeordneten Turbinen-Molekularpumpe und einer nahe dem Pumpen­ austritt angeordneten kombinierten Entspannungsstufe besteht, wobei die Turbinen-Molekularpumpe sich aus
einer Gruppe auf dem Rotor befestigter, rotierender Turbinenschaufelräder und
einem durch einen statischen Abstandsring unterteilten und an der Innenwand des Pumpengehäuses befestigten, stehenden Leitschaufelrad, welches wechselweise mit dem rotierenden Turbinenschaufelrad angeordnet ist,
zusammensetzt und die kombinierte Entspannungsstufe sich aus
einer Gruppe am Rohr befestigter und durch mit Schaufel­ zähnen versehene Distanzringe unterteilter, rotierender Schaufelräder und
einer Gruppe durch statische Abstandsringe unterteilter, an der Innenwand des Pumpengehäuses befestigter statischer Schaufelräder, die wechselweise mit den rotierenden Schaufelrädern angeordnet sind,
zusammensetzt.

Gemäß einer Weiterbildung der Molekularpumpe ist das rotierende Schaufelrad in Form einer Scheibe ausgebildet und verfügt auf beiden Seiten über eine Mehrzahl von spiralförmigen Saugkanälen, wobei das Ende jedes Saugkanales auf dem äußeren Umfang des rotierenden Schaufelrades mit einem kurzen Turbinenschaufelzahn versehen ist.

Eine weitere Ausgestaltung der Molekurlarpumpe ist dadurch ge­ kennzeichnet, daß jeder kurze Turbinenschaufelzahn in bestimmter Richtung unter einem Winkel relativ zur Achse des scheiben­ förmigen, rotierenden Schaufelrades geneigt ist und eine Ecke des kurzen Turbinenschaufelzahnes mit der Wand des Kanals auf der Seite des Kanals verbunden ist.

Schließlich wird eine Molekularpumpe vorgeschlagen, bei der der mit Schaufelzähnen versehene rotierende Distanzring als ring­ förmiges Bauteil ausgebildet ist, auf dessen äußerem Umfang die Schaufelzähne als Spiralzähne oder schrägverlaufende Zähne aus­ gebildet sind, wobei alle Schaufelzähne gleichen Abstand zuein­ ander aufweisen und unter einem Winkel relativ zur Achse des ringförmigen Bauteiles geneigt sind.

Im folgenden sind der Aufbau und die Arbeitsweise der Molekular­ pumpe anhand der Zeichnung erläutert, und zwar zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Mole­ kularpumpe in zusammengesetzter Bauweise;

Fig. 2a eine Ansicht eines drehbaren Schaufelrades mit Saugkanälen und kurzen Turbinenschaufelzähnen;

Fig. 2b eine seitliche Ansicht des Schaufelrades gemäß Fig. 2a entlang des eingezeichneten Pfeiles;

Fig. 2c einen Schnitt durch das der Fig. 2a entsprechende Schaufelrad;

Fig. 3a eine Seitenansicht eines drehbaren Distanzringes mit spiralförmigen Schaufelzähnen;

Fig. 3b eine Seitenansicht des Distanzringes entsprechend der Fig. 3a und

Fig. 4 einen Detailausschnitt aus Fig. 1 mit ein­ gezeichnetem Verlauf des jeweiligen Strömungsweges.

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 besteht die in kombinierter Bauart ausgeführte Molekularpumpe aus einem Pumpengehäuse 5 mit einem Einlaß 4, der in abgedichteter Weise mit der zu evakuierenden Kammer verbunden ist, einem axial innerhalb des Pumpengehäuses 5 angeordneten Rotor 2, der mit hoher Drehzahl um die Achse drehbar ist und einer Gruppe rotierender Turbinen­ schaufelräder 7 nahe dem Einlaß 4, die fest mit dem Rotor 2 verbunden sind und eine wechselweise Anordnung mit stehenden Leitschaufelrädern 8 bilden, die fest mit der Innenseite des Pumpengehäuses 5 verbunden sind. Die rotierenden Turbinenschaufelräder 7 drehen sich mit hoher Drehzahl relativ zu den stehenden Leitschaufelrädern 8. Die voranstehend be­ schriebenden Teile bilden eine als Turbinen-Molekularpumpe ausgebildete Stufe der in kombinierter Bauart ausgeführten Molekularpumpe. Auf dem Rotor 2 ist ein rotierendes Schaufelrad 9 zusammensetzbaren Bautyps aufgesetzt, das über Saugkanäle 14 sowie über kurze Turbinenschaufelzähne 15 dicht an der Gruppe rotierender Turbinenschaufelräder 7 verfügt. Die Gruppe zusammengesetzter, rotierender Schaufelräder 9 wird jeweils durch einen rotierenden, zylindrischen Distanzring 11 unter­ teilt, der spiralförmige Schaufelzähne 16 aufweist und auf einer rotierenden Drehwelle 6 befestigt ist. Die rotierenden Schaufel­ räder 9 sind wechselweise mit statischen Schaufelrädern 10 ange­ ordnet, die am Pumpengehäuse 5 befestigt und durch statische Ab­ standsringe 12 voneinander getrennt sind. Das rotierende Schaufelrad 9 zusammengesetzter Bauart ist mit hoher Drehzahl relativ zu dem statischen Schaufelrad 10 drehbar. Die vor­ anstehend beschriebenen Bauteile bilden eine als kombiniertes Entspannungssystem ausgebildete Stufe der erfindungsgemäßen Molekularpumpe in zusammengesetzter Bauart. Die Molekularpumpe in zusammengesetzter Bauart verfügt außerdem über einen Motor zum Antrieb des Rotors 2 mit hoher Drehzahl.

In den Fig. 2a, 2b und 2c ist ein rotierendes Schaufelrad 9 zusammengesetzter Bauart mit Saugkanälen 14 und kurzen Turbinen­ schaufelzähnen 15 dargestellt. Dieses rotierende Schaufelrad 9 in kombinierter Bauart weist die Form einer Scheibe auf, auf deren beiden Seiten eine Mehrzahl von spiralförmigen Saugkanälen 14 ausgebildet ist. Wenn der Motor den Rotor 2 mit hoher Dreh­ zahl antreibt, bewirken diese Saugkanäle 14 einen nach außen ge­ richteten, radialen Fluß der statischen Gasmoleküle. Am Ende jedes Saugkanales 14 sind am äußeren Umfang dieses rotierenden Schaufelrades 9 kurze Turbinenschaufelzähne 15 ausgebildet. Jeder kurze Turbinenschaufelzahn 15 ist in einer bestimmten Richtung relativ zur Achse des scheibenförmigen, rotierenden Schaufelrades 9 geneigt. Sobald der Rotor 2 mit hoher Drehzahl rotiert, führen diese kurzen Turbinenschaufelzähne 15 zu einer Umlenkung der Gasmoleküle von einer radialen in eine axiale Strömungsrichtung.

Die Fig. 3a und 3b zeigen den ringförmigen, rotierenden Distanzring 11 mit spiralförmigen Schaufelzähnen 16. Die spiral­ förmigen Schaufelzähne 16 am äußeren Umfang des rotierenden Distanzringes 11 können in Gestalt kurzer Turbinenschaufelzähne ausgebildet sein, wobei alle Schaufelzähne 16 jeweils den gleichen Abstand zueinander aufweisen und unter einem Winkel zur zentralen Achse des ringförmigen Bauteiles geneigt sind. Wird der Rotor 2 mit hoher Drehzahl angetrieben, bewirkt der zylindrische rotierende Distanzring 11 mit den spiralförmigen Schaufelzähnen 16 eine Umlenkung der Gasmoleküle von einer radialen in eine axiale Strömungsrichtung, wodurch vorzugsweise eine bewegliche Abdichtung geschaffen wird.

Die Fig. 4 dient der Erläuterung der Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Molekularpumpe.

(A) ist die als Turbinen-Molekularpumpe ausgeführte Stufe. Die Gasmoleküle fließen in axialer Richtung.

(B) ist die kombinierte Entspannungsstufe, in der die Gasmole­ küle abwechselnd in axialer und in radialer Richtung strömen.

Die Pfeile sowie die gestrichelten Linien zeigen die Ansaug­ richtung an.

Das letzte rotierende Schaufelrad auf der Drehwelle 6 weist Saugkanäle 14 auf der einen Seite sowie kurze Turbinenschaufel­ zähne 15 auf. Dies ist die letzte Stufe des nahe dem oberen Ende eines Austrittes 3 angeordneten Fördersystems und bildet während des Betriebs den Austritt der Zentrifugalpumpe. Wenn der Motor den Rotor 2 in Drehbewegung versetzt, bewirken die Saugkanäle 14 auf der Innenseite des rotierenden Schaufelrades 9 eine radiale Strömung der Gasmoleküle. Die Turbinenschaufelzähne 15 am äußeren Umfang des Schaufelrades 9 führen zu einer Umlenkung der Gasmoleküle von einer radialen in eine axiale Strömungsrichtung, so daß diese über den Austritt 3 hinausbefördert werden. Bei zunehmender Beschleunigung des Motors bewirkt das rotierende Schaufelrad 9 eine zunehmende Zentrifugalkraft; das durch die rotierenden Schaufelräder 9 auf die Gasmoleküle ausgeübte Moment nimmt zu und führt zu einem schnelleren Fluß der Gasmoleküle und einem zunehmenden Volumenstrom am Austritt 3 . In analoger Weise führt jeder aus einem rotierenden Schaufelrad 9 und einem statischen Schaufelrad 10 zusammengesetzte Entspannungsbereich 17 zu einer Erhöhung der Absaugwirkung. Wenn, wie es den Normalfall darstellt, der Motor mit Höchstgeschwindigkeit läuft, bewirkt jeder Entspannungsbereich 17 ein Höchstmaß an Pumpwirkung innerhalb des gesamten Fördersystems.

Der aus dem rotierenden Schaufelrad 9 und dem statischen Schaufelrad 10 zusammengesetzte Entspannungsbereich 17 weist eine Förderwirkung auf, die von einer als Vorpumpe wirkenden Längsstufe 18 abhängt, welche durch den rotierenden zylindrischen Distanzring 11 mit spiralförmigen Schaufelzähnen 16 und die innere ringförmige Mantelfläche des statischen Schaufelrades 10 gebildet wird. Auf diese Weise kommt die Pumpwirkung der Längsstufe 18 voll zum Tragen, welche die Pumpwirkung einer aus dem rotierenden Schaufelrad 9 und dem statischen Schaufelrad 10 zusammengesetzten Druckstufe 19 unterstützt, wodurch die Förderwirkung der Druckstufe 19 höher ausfällt als deren eigentliche Förderkapazität.

Die als Turbinen-Molekularpumpe ausgebildete Stufe (A) ist in Serie zu der kombinierten Entspannungsstufe (B) geschaltet, so daß ein Fördersystem in der Art einer Molekularpumpe zusammenge­ setzter Bauart entsteht. Die kombinierte Entspannungsstufe bildet eine Vorpumpe innerhalb des Fördersystems der gesamten Pumpe. Daher arbeitet die in kombinierter Bauart ausgeführte Molekularpumpe mit optimalem Wirkungsgrad.

Die an der Außenseite der rotierenden Schaufelräder 9 der kombinierten Entspannungsstufe (B) angeordneten kurzen Turbinen­ schaufelzähne 15 sind mit der Wand der Saugkanäle 14 verbunden, die in die Seite der Scheibe eingeschnitten sind.

Die in den Seiten des rotierenden Schaufelrades 9 einge­ schnittenen Saugkanäle 14 können kreisbogenförmig gestaltet sein oder den Verlauf einer Archimedes′schen Spirale aufweisen.

Die beschriebene Molekularpumpe in kombinierter Bauart ist einfach und praktisch aufgebaut; die Gesamtzahl der benötigten Schaufelräder liegt um 1/3 bis zur Hälfte niedriger als die bei einer Turbinen-Molekularpumpe. Die Fördergeschwindigkeit ist bei höheren Drücken um das 3 bis 4fache höher als jene einer Turbinen-Molekularpumpe; das Verdichtungsverhältnis für H₂ ist 2- bis 4fach so groß wie jenes der Turbinen-Molekularpumpe.

Bezugszeichenliste

 2 Rotor
 3 Austritt
 4 Einlaß
 5 Pumpengehäuse
 6 Drehwelle
 7 Turbinenschaufelrad
 8 Leitschaufelrad
 9 rotierendes Schaufelrad
10 statisches Schaufelrad
11 rotierender Distanzring
12 statischer Abstandsring
14 Saugkanal
15 Turbinenschaufelzahn
16 Schaufelzahn
17 Entspannungsbereich
18 Längsstufe
19 Druckstufe
(A) Turbinen-Molekularpumpenstufe
(B) kombinierte Entspannungsstufe

Claims (4)

1. Molekularpumpe in kombinierter Bauart mit einem Pumpen­ gehäuse, einem axial innerhalb des Pumpengehäuses ange­ ordneten Rotor und einem den Rotor mit hoher Drehzahl an­ treibenden Motor, dadurch gekennzeichnet, daß die Molekularpumpe aus einer nahe dem Pumpeneintritt an­ geordneten Turbinen-Molekularpumpe (A) und einer nahe dem Pumpenaustritt angeordneten kombinierten Entspannungsstufe (B) besteht, wobei die Turbinen-Molekularpumpe (A) sich aus
einer Gruppe auf dem Rotor (2) befestigter, rotierender Turbinenschaufelräder (7) und
einem durch einen statischen Abstandsring unterteilten und an der Innenwand des Pumpengehäuse (5) befestigten, stehenden Leitschaufelrad (8), welches wechselweise mit dem rotierenden Turbinenschaufelrad (7) angeordnet ist,
zusammensetzt und die kombinierte Entspannungsstufe (B) sich aus
einer Gruppe am Rohr (2) befestigter und durch mit Schaufelzähnen (16) versehene Distanzringe (11) unter­ teilter, rotierender Schaufelräder (9) und
einer Gruppe durch statische Abstandsringe (12) unter­ teilter, an der Innenwand des Pumpengehäuses (5) be­ festigter statischer Schaufelräder (10), die wechsel­ weise mit den rotierenden Schaufelrädern (9) angeordnet sind,
zusammensetzt.

2. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierende Schaufelrad (9) in Form einer Scheibe ausge­ bildet ist und auf beiden Seiten über eine Mehrzahl von spiralförmigen Saugkanälen (14) verfügt, wobei das Ende jedes Saugkanales (14) auf dem äußeren Umfang des rotierenden Schaufelrades (9) mit einem kurzen Turbinenschaufelzahn (15) versehen ist.

3. Molekularpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder kurze Turbinenschaufelzahn (15) in bestimmter Richtung unter einem Winkel relativ zur Achse des scheibenförmigen, rotierenden Schaufelrades (9) geneigt ist und eine Ecke des kurzen Turbinenschaufelzahnes (15) mit der Wand des Kanals (14) auf der Seite des Kanals (14) verbunden ist.

4. Molekularpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit Schaufelzähnen (16) versehene rotierende Distanzring (11) als ringförmiges Bauteil ausgebildet ist, auf dessen äußerem Umfang die Schaufelzähne (16) als Spiralzähne oder schrägverlaufende Zähne ausgebildet sind, wobei alle Schaufelzähne (16) gleichen Abstand zueinander aufweisen und unter einem Winkel relativ zur Achse des ringförmigen Bauteiles geneigt sind.